CN112113731B - 转子叶片高频振动疲劳试验夹具及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刚度可控的转子叶片高频振动疲劳试验夹具的设计方法，其中，提供试验夹具的数字模型，数字模型包括U形放大夹具，U形放大夹具的U形梁的跨距L和高度H作为控制参数可调整，开展模态分析及谐响应分析，后处理获得U形梁的垂向位移最大值U及对应的频率Freq，开展优化计算，确定U形放大夹具的控制参数H、L的范围，完成优化计算，获得Freq在待测叶片频率内且U值为最大值时对应的控制参数H和L的计算值。本发明还提供一种根据上述设计方法设计的转子叶片高频振动疲劳试验夹具。通过采用上述设计方法设计的转子叶片高频振动疲劳试验夹具，采用一般振动台即可开展叶片高频振动疲劳试验。

Description

转子叶片高频振动疲劳试验夹具及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种转子叶片高频振动疲劳试验夹具，以及一种转子叶片高频振动疲劳试验夹具的设计方法。

背景技术

在航空涡轮发动机中，叶片容易产生振动，由于叶片振动问题导致的问题尤为普遍。叶片振动疲劳试验能够揭露影响叶片疲劳性能的缺陷如表面微裂纹、毛刺、显微舒松孔、柱状晶等，同时可以获取叶片的振动疲劳性能如疲劳极限、S-N曲线等，有效的支撑了航空发动机适航取证以及安全运转。因此，针对叶片开展振动疲劳试验具有重要意义。

目前，国内外试验厂商及高校基于振动台开展叶片振动疲劳试验的流程及方法已趋成熟。在开展航空发动机叶片类零件低频(小于3000Hz)振动疲劳试验时，采用一般载重(如2t、5t)的振动台开展即可满足需求。然而当我们的研究对象聚焦为叶片扭转振型、叶尖振动掉角、叶片高阶振动等情况时，就需要开展叶片高频(一般大于3000Hz)振动疲劳试验。这就对叶片高频振动疲劳试验台的输出能量提出了更高的要求，特别是针对叶片初始目标振动应力较高的情况，一般载重(如2t、5t)振动台可能就不满足试验要求。采购更高载重的振动台可以解决该问题，但是会引起试验成本大大提高。

因此，期望设计一种转子叶片高频振动疲劳试验夹具，由于该转子叶片高频振动疲劳试验夹具的特殊设计，可以达到通过采用一般振动台即可开展叶片高频振动疲劳试验的目的。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种可以采用一般振动台即可开展叶片高频振动疲劳试验的转子叶片高频振动疲劳试验夹具及设计方法。

本发明提供了一种刚度可控的转子叶片高频振动疲劳试验夹具的设计方法，其中，步骤一，提供试验夹具的数字模型，所述数字模型包括U形放大夹具，所述U形放大夹具包括具有跨距L和高度H的U形梁，以及位于U形梁上的叶片榫槽件，U形梁的跨距L和高度H作为控制参数可调整；步骤二，基于所述数字模型和待测叶片频率开展试验夹具的模态分析，获得试验夹具的模态参数；步骤三，向所述数字模型施加加速度载荷开展谐响应分析，该谐响应分析的设定频率范围包括所述待测叶片频率；步骤四，完成谐响应分析后，开展谐响应分析的后处理，获得U形梁的垂向位移最大值U及对应的频率Freq；步骤五，开展优化计算，目标函数为U形放大夹具的动力学方程，计算条件为U值最大，Freq在待测叶片频率内，确定U形放大夹具的控制参数H、L的范围；步骤六，完成所述优化计算，获得Freq在待测叶片频率内且U值为最大值时对应的控制参数H和L的计算值；步骤七，根据所述控制参数H和L的计算值，重新开展模态分析，判断待测叶片频率处的振型是否为预期振型，如果是，即完成分析，将所述控制参数H和L的计算值作为U形放大夹具的设计值输出；如果否，重新执行步骤一至步骤七，在步骤一中修改控制参数H和L，直至步骤七获得的所述振型为所述预期振型。

在一个实施方式中，Freq具有正负100Hz内的误差。

在一个实施方式中，所述优化计算采用遗传优化算法。

在一个实施方式中，所述预期振型为简支梁一阶弯曲振型。

本发明还提供一种刚度可控的转子叶片高频振动疲劳试验夹具，可以根据上述的设计方法获得。

本发明又提供一种刚度可控的转子叶片高频振动疲劳试验夹具，其中，基座用于与振动台连接，U型放大夹具与所述基座一体成型，包括具有跨距L和高度H的U形梁，以及位于U形梁上的叶片榫槽件，后顶装置从所述叶片榫槽件的后侧可调整地顶入所述叶片榫槽件的榫槽，以向叶片榫头施加后顶力，侧顶装置从所述叶片榫槽件的上侧可调整地顶入所述叶片榫槽件的榫槽，以向叶片榫头施加上顶力，调整垫块，用于放置于所述叶片榫槽件的榫槽中，用于间隔后顶装置和叶片榫头。

在一个实施方式中，所述后顶装置和所述侧顶装置分别为螺栓。

上述转子叶片高频振动疲劳试验夹具及设计方法中，通过设计U型放大夹具，基于共振能量放大原理，可以开展高频高应力振动疲劳试验。

上述转子叶片高频振动疲劳试验夹具的设计方法中，基于目标待测叶片的固有频率，在设计阶段，基于参数化建模，采用模态分析和谐响应分析，开展例如采用遗传优化算法的优化计算，优化获得转子叶片高频振动疲劳试验夹具U型梁的参数，可以避免由于U型放大结构选择不合适而导致难以开展高频振动疲劳试验的风险。

上述转子叶片高频振动疲劳试验夹具特别适用于通过上述设计方法进行设计，刚度易于控制，且在叶片振动疲劳试验中，可以模拟转子叶片榫头工作面实际工作时的真实夹紧状态。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是转子叶片高频振动疲劳试验夹具的立体图。

图2是转子叶片高频振动疲劳试验夹具的俯视图。

图3是转子叶片高频振动疲劳试验夹具的侧视图。

图4是U型放大夹具的后视图。

图5是U型放大夹具的侧视图。

图6是U型放大夹具的剖视图。

图7A是调整垫块的后视图；图7B是调整垫块沿着图7A中的线F-F截取的剖视图；图7C是调整垫块沿着图7A中的线E-E截取的剖视图。

图8是作为后顶装置的螺栓的示意图。

图9是转子叶片高频振动疲劳试验夹具的设计方法的示例流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本发明的保护范围。

例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的示例中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

如本发明所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的器件，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件的方向将改为在所述其他元件或特征的“上方”。因而，示例性的词语“下方”和“下面”能够包含上和下两个方向。器件也可能具有其他朝向(旋转90度或处于其他方向)，因此应相应地解释此处使用的空间关系描述词。此外，还将理解，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

图1示出了示例性的转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的立体构造，转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的刚度可控，用于夹持待测叶片6以对之进行振动疲劳试验。图2和图3分别示出了转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的俯视图和侧视图。

参见图1至图3，根据本发明的转子叶片高频振动疲劳试验夹具10包括U型放大夹具1。

图4、图5和图6分别示出了U型放大夹具1的后视图、侧视图和剖视图。参见图4和图5，U型放大夹具1包括U型梁7，U型梁7具有跨距L和高度H。U型放大夹具1还包括叶片榫槽件8，叶片榫槽件8位于U型梁7上。叶片榫槽件8包括可以与待测叶片6的叶片榫头61配合的榫槽81，从而可以安装待测叶片6。U型放大夹具1中，U型梁7可以与叶片榫槽件8一体成型。

参见图1，转子叶片高频振动疲劳试验夹具10还包括基座2，基座2可以与振动台连接。在图1所示的实施方式中，基座2为一圆盘构件，其中设置有可以与振动台配合的多个螺栓孔21，从而通过螺栓插入螺栓孔21而将基座2与振动台连接，以进行振动疲劳试验。U型放大夹具1可以与基座2一体成型。而如上所述，U型放大夹具1中，U型梁7可以与叶片榫槽件8一体成型。这样可以避免因连接方式诸如螺栓连接刚度引起的频率不确定性。

参见图1，转子叶片高频振动疲劳试验夹具10还包括后顶装置3。后顶装置3可以从叶片榫槽件8的后侧可调整地顶入叶片榫槽件8的榫槽81，以向待测叶片6的叶片榫头61施加后顶力。通过后顶装置3施加后顶力，可以模拟叶片实际工作时在离心力作用下叶片榫头工作面的压紧状态。图示实施方式中，后顶装置3可以是如图8所示的螺栓，通过对螺栓施加拧紧力矩而向待测叶片6的叶片榫头61施加后顶力，例如作为后顶装置3的螺栓可以通过图4中的孔82伸进叶片榫槽件8的榫槽81。图2中示出了后顶装置3包括三个螺栓。转子叶片高频振动疲劳试验夹具10中采用后顶式夹具也即后顶装置3，可以避免由于夹持不合理导致的榫头局部裂纹萌生的风险。

参见图1，转子叶片高频振动疲劳试验夹具10还包括侧顶装置4。侧顶装置4可以从叶片榫槽件8的上侧可调整地顶入叶片榫槽件8的榫槽81，以向待测叶片6的叶片榫头61施加上顶力。侧顶装置4可以在转子叶片高频振动疲劳试验夹具10与待测叶片6装配时起到预紧作用。图示实施方式中，如后顶装置3，侧顶装置4也可以采用螺栓，例如通过图6中的孔83伸进叶片榫槽件8的榫槽81。图1中示出了侧顶装置4包括两个螺栓。例如，通过对作为侧顶装置4的螺栓施加预紧力，可以方便叶片装配以及增加榫槽刚度。

参见图1，转子叶片高频振动疲劳试验夹具10还包括调整垫块5，调整垫块5可以用于放置于叶片榫槽件8的榫槽81中，用于间隔后顶装置3和待测叶片6的叶片榫头61。也即，调整垫块5与后顶装置3及叶片榫头61接触，从而将后顶装置3的后顶力均匀地施加到待测叶片6上。图7A、图7B和图7C分别从不同角度示出了调整垫块5的示例构造。调整垫块5大体为长方体形状，在与后顶装置3接触的一侧具有接触孔51，作为后顶装置3的螺栓具有球面头31，球面头31嵌入调整垫块5的接触孔51而对调整垫块5施加后顶力，而调整垫块5与接触孔51所在侧相反的一侧面52与叶片榫头61的底面接触，从而调整垫块5通过调整垫块5对叶片榫头61均匀地施加后顶力。

采用转子叶片高频振动疲劳试验夹具10进行叶片振动疲劳试验时，通过后顶装置3、侧顶装置4和调整垫块5，可以模拟转子叶片榫头工作面实际工作时的真实夹紧状态。

本发明还提供了一种刚度可控的转子叶片高频振动疲劳试验夹具的设计方法。该设计方法可以针对包括U形放大夹具的转子叶片高频振动疲劳试验夹具，例如本发明所提供的转子叶片高频振动疲劳试验夹具10。

结合图9，并且以转子叶片高频振动疲劳试验夹具10为示例来描述该设计方法。该设计方法可以包括如下步骤。

步骤一S1，提供试验夹具诸如转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的数字模型。

该数字模型包括U形放大夹具1。U形放大夹具1包括具有跨距L和高度H的U形梁7，以及位于U形梁7上的叶片榫槽件8，U形梁7的跨距L和高度H作为控制参数可以调整。

例如，在设计阶段，步骤一S1可以通过图9中的S11和S12来完成，在S11，以U形梁7的跨距L和高度H为参数，例如在建模软件诸如UG、Solidworks等中对U形放大夹具1进行参数化建模，然后在S12，例如在ANSYS-Workbench中识别参数并建立有限元模型，从而得到转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的数字模型，其中，U形梁7的跨距L和高度H作为控制参数可以对之进行调整，也即，跨距L和高度H可变。

步骤二S2，基于上述数字模型和待测叶片频率开展转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的模态分析，获得转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的模态参数。

例如在ANSYS-Workbench中对转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的上述数字模型开展模态分析，例如，目标阶次频率范围为(0-10000Hz)。开展模态分析时可以设置输入信息，例如可以包括：确定材料参数诸如弹性模量、密度、泊松比等，以及确定待测叶片频率。模态分析例如可以获得试验夹具固有频率，该固有频率可以作为下述步骤S3中进行的后续谐响应分析的输入。

步骤三S3，向上述数字模型施加加速度载荷开展谐响应分析，该谐响应分析的设定频率范围包括所述待测叶片频率。

例如在ANSYS-Workbench中对转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的上述数字模型开展谐响应分析分析时，可以设定频率范围和阻尼比，该设定频率范围必须涵括待测叶片频率，而阻尼比可以选择在0.01-0.03范围内。

步骤四S4，完成上述谐响应分析后，开展上述谐响应分析的后处理，获得U形梁7的垂向位移最大值U及对应的频率Freq。

可以参考图4，U形梁7的垂向位移最大值U可以是U形梁7的横梁71的下表面71a在图4中的上下方向上的位移最大值。

步骤五S5，开展优化计算，目标函数为U形放大夹具1的动力学方程，计算条件为U值最大，Freq在待测叶片频率内，确定U形放大夹具1的控制参数H、L的范围。

例如，U形放大夹具1的动力学方程也即目标函数为：

其中，M为质量，K为刚度，C为阻尼系数，

为最大位移U的加速度，

为最大位移U的速度，F为激励，ω为频率，

为相位，t为时间；

通过优化控制参数H、L，调整系统的质量M和刚度K，同时影响系统的固有频率，在上述方程中，对于固定的激励F，使得在叶片固有频率(ω)附近，具有最大位移U。

参考图9的S5，以下述条件开展优化计算：

1)通过目标函数确定U值最大。

2)约束条件为：Freq在待测叶片频率内。例如，Freq可以具有正负100Hz内的误差，也即如图9所示，Freq在待测叶片频率上下100Hz内。

3)控制参数为：H、L

通过开展优化计算来确定可调整的控制参数H、L的取值范围。图9所示的实施方式中，上述优化计算采用遗传优化算法。

步骤六S6，完成上述优化计算，获得Freq在待测叶片频率内且U值为最大值时对应的控制参数H和L的计算值。

例如在采用遗传优化算法进行优化计算以后，Freq在目标频率范围内，获得U值的最大值，获得其对应的H和L。

步骤七S7，根据步骤六S6中获得的控制参数H和L的计算值，重新开展模态分析，判断待测叶片频率处的振型是否为预期振型。

例如图9所示，预期振型为简支梁一阶弯曲振型，也即判断待测叶片频率处的振型是否为简支梁一阶弯曲振型。

如果是，即完成分析，将上述优化所得的控制参数H和L的计算值作为U形放大夹具1的设计值输出。流程到此结束。

如果否，则重新执行上述步骤一至步骤七，在步骤一中修改控制参数H和L，直至步骤七获得的振型为该预期振型例如简支梁一阶弯曲振型。

图9所示的实施方式中，步骤五S5是迭代优化的控制程序，在步骤五S5设置H和L值后，系统会自动地根据最新的H和L，重新走一遍步骤一S1至步骤四S4。也即，如图9所示，如果S7中的判定结果为否，会回到步骤五S5，而在步骤五S5设置参数H和L后，系统根据最新的H和L，重新回到步骤一S1。也可以理解成，重新执行上述步骤一至步骤七。

通过采用上述刚度可控的转子叶片高频振动疲劳试验夹具的设计方法，可以对夹具例如图示实施方式的刚度可控的转子叶片高频振动疲劳试验夹具10的刚度进行参数控制，基于共振能量放大原理，可以实现采用一般载重振动台即可开展高频振动疲劳试验的效果。也即，通过采用转子叶片高频振动疲劳试验夹具的设计方法来设计转子叶片振动疲劳试验夹具，采用一般振动台即可以开展转子叶片的高频高应力振动疲劳试验。而在设计阶段基于待测叶片的固有频率，采用优化设计方法，获得U型放大夹具的参数诸如跨距和高度，可以避免由于U型放大结构选择不合适而导致难以开展高频振动疲劳试验的风险。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种刚度可控的转子叶片高频振动疲劳试验夹具的设计方法，其特征在于，

步骤一，提供试验夹具的数字模型，所述数字模型包括U形放大夹具，所述U形放大夹具包括具有跨距L和高度H的U形梁，以及位于U形梁上的叶片榫槽件，U形梁的跨距L和高度H作为控制参数可调整，其中，所述试验夹具包括基座、U型放大夹具、后顶装置、侧顶装置和调整垫块，所述基座用于与振动台连接，所述U型放大夹具与所述基座一体成型，所述后顶装置从所述叶片榫槽件的后侧可调整地顶入所述叶片榫槽件的榫槽，以向叶片榫头施加后顶力，所述侧顶装置从所述叶片榫槽件的上侧可调整地顶入所述叶片榫槽件的榫槽，以向叶片榫头施加上顶力，所述调整垫块用于放置于所述叶片榫槽件的榫槽中，用于间隔后顶装置和叶片榫头；

步骤二，基于所述数字模型和待测叶片频率开展试验夹具的模态分析，获得试验夹具的模态参数；

步骤三，向所述数字模型施加加速度载荷开展谐响应分析，该谐响应分析的设定频率范围包括所述待测叶片频率；

步骤四，完成谐响应分析后，开展谐响应分析的后处理，获得U形梁的垂向位移最大值U及对应的频率Freq；

步骤五，开展优化计算，目标函数为U形放大夹具的动力学方程，计算条件为U值最大，Freq在待测叶片频率内，确定U形放大夹具的控制参数H、L的范围；

步骤六，完成所述优化计算，获得Freq在待测叶片频率内且U值为最大值时对应的控制参数H和L的计算值；

步骤七，根据所述控制参数H和L的计算值，重新开展模态分析，判断待测叶片频率处的振型是否为预期振型，如果是，即完成分析，将所述控制参数H和L的计算值作为U形放大夹具的设计值输出；如果否，重新执行步骤一至步骤七，在步骤一中修改控制参数H和L，直至步骤七获得的所述振型为所述预期振型。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，Freq具有正负100Hz内的误差。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述优化计算采用遗传优化算法。

4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述预期振型为简支梁一阶弯曲振型。

5.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述后顶装置和所述侧顶装置分别为螺栓。

6.一种刚度可控的转子叶片高频振动疲劳试验夹具，其特征在于，根据权利要求1至5中任一项所述的设计方法获得。

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